Vanderbilt University

Uma teoria simples pode explicar a misteriosa matéria escura

		IMAGEM: Esta é uma comparação entre um campo anapolar com os campos dipolos elétrico e magnético comuns. O campo anapolar, acima, é gerado por uma corrente elétrica toroidal. Como resultado, o campo fica restrito ao torus, em vez de se propagar como os campos dipolos comuns. Crédito:  Michael Smeltzer, Vanderbilt University Imagem ampliada.

A maior parte da matéria do universo pode ser feita de partículas que possuem um incomum campo eletromagnético em forma de anel, chamado anapolo.

Esta proposta, que dota as partículas de matéria escura com uma forma rara de eletromagnetismo, foi reforçada por uma análise detalhada realizada por um par de físicos teóricos da Universidade Vanderbilt: o Professor Robert Scherrer e o doutor-associado Chiu Man Ho. Um artigo sobre a pesquisa foi publicado online no mês passado por Physics Letters B.

“Existem muitas teorias diferentes acerca da natureza da matéria escura. O que eu gosto nesta teoria é sua simplicidade, singeleza e o fato de que pode ser testada”, disse Scherrer.

No artigo, intitulado “Anapole Dark Matter,” os físicos propõem que a matéria escura – um tipo invisível de matéria que perfaz 85% de toda a matéria do universo – pode ser constituída de um tipo básico de partícula chamado Férmion de Majorana. A existência desta partícula foi prevista em 1930, mas ela tem teimosamente resistido a ser detectada.

Um bom número de físicos sugeriu que a matéria escura seja feita de Férmions de Majorana, porém Scherrer e Ho realizaram cálculos detalhados que demonstram que essas partículas são particularmente adequadas a possuir um tipo raro de campo eletro-magnético em forma de anel, chamado um anapolo. Este campo lhes conferiria propriedades diferentes das partículas que possuem campos mais comuns, do tipo com dois polos (norte e sul, positivo e negativo) e explica por que elas são tão difíceis de detectar.

“A maioria dos modelos para a matéria escura supõe que ela interaja por meio de forças exóticas que não encontramos no dia-a-dia. A matéria escura anapolar usa o mesmo eletromagnetismo que aprendemos na escola – a mesma força que faz com que os imãs grudem em sua geladeira ou fazem com que um balão de ar esfregado nos cabelos grude no teto”, explica Scherrer. “Além disso, o modelo faz predições muito específicas acerca das quantidades que deverão ser detectadas nos enormes detectores de matéria escura enterrados no chão por todo o mundo. Tais predições mostram que a existência da matéria escura anapolar deve ser comprovada ou descartada em breve por tais experimentos”.

Férmions são partículas como o elétron e o quark, que são os componentes básicos da matéria. Sua existência foi predita por Paul Dirac em 1928. Des anos depois, pouco antes de desaparecer misteriosamente no mar, o físico italiano Ettore Majorana produziu uma variante da fórmula de Dirac que prevê a existência de um férmion eletricamente neutro. Desde então, os físicos vêm buscando os Férmions de Majorana. O candidato inicial foi o neutrino, porém os cientistas não conseguiram determinar a natureza dessa partícula elusiva.

A existência da matéria escura foi também inicialmente proposta nos anos 1930 para explicar as discrepâncias nas velocidades de rotação dos aglomerados galáticos. Subsequentemente, os astrônomos  descobriram  que a rotação das estrelas em torno das galáxias individuais também estava fora de sincronia. As observações detalhadas mostraram que as estrelas afastadas do centro das galáxias estão girando em velocidades muito mais altas do que poderia ser explicado pela quantidade de matéria visível que as galáxias contêm. Presumir que elas contenham uma grande quantidade de matéria “escura” invisível é a conclusão mais lógica para explicar tais discrepâncias.

Os cientistas hipotetizaram que a matéria escura não pode ser vista pelos telescópios porque ela não interage de maneira forte com a luz e outras radiações eletromagnéticas. Com efeito, as observações astronômicas basicamente descartaram a possibilidade de que as partículas de matéria escura tenham cargas elétricas.

Entretanto, mais recentemente, vários cientistas consideraram partículas de matéria escura que não teham cargas elétricas, mas têm dipolos elétricos ou magnéticos. O único problema é que, mesmo que esses modelos complicados são descartáveis em favor de partículas de Majorana. Esta é uma das razões pelas quais Ho e Scherrer examinaram mais de perto a versão de matéria escura com um momento magnético anapolar.

“Embora os Férmions de Majorana sejam eletricamente neutros, as simetrias fundamentais da natureza os proíbem de adquirir quaisquer propriedades eletromagnéticas, exceto se foram anapolares”, diz Ho. A existência de um anapolo magnético foi previsto pelo físico soviético Yakov Zel’dovich em 1958. Desde então, isso foi observado na estrutura magnética dos núcleos dos átomos do césio-133 e do itérbio-174.

Partículas com os familiares dipolos elétrico e magnético interagem com campos eletromagnéticos até quando estão estacionárias. As partículas com anapolos, não. Estas precisam estar em movimento antes que possam interagir e quanto mais rápido se moverem, mais forte será a interação. Em função disto, as partículas anapolares teriam sido muito mais interativas durante os estágios iniciais do universo e teriam se tornado cada vez menos interativas na medida em que o universo se expandiu e esfriou.

As partículas de matéria escura anapolar sugeridas por Ho e Scherrer teriam se aniquilado no universo primitivo tal como quaisquer outras partículas de matéria escura propostas, e as partículas remanescentes deste processo formariam a matéria escura que vemos hoje [NT: ou não vemos…]. Porém, como a matéria escura está se movendo muito mais devagar no presente e porque as interações anapolares dependem de quão depressa elas se movem, essas partículas teriam escapado da detecção até agora, porém por muito pouco.